BR102013022719A2 - Processo para liquefazer fração rica em hidrocarboneto - Google Patents

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Abstract

PROCESSO PARA LIQUEFAZER FRAÇÃO RICA EM HIDROCARBONETO A presente invenção refere-se a um processo para liquefazer uma fração rica em hidrocarboneto, em particular gás natural, que é descrito, em que a fração rica em hidrocarboneto que será liquefeita (A - B) é resfriada (E1B - E4B) em troca de calor indireta contra um circuito de pré-resfriamento de multiestágio (1 - 9, 30 - 37, 40 - 47),o refrigerante do circuito de pré-resfriamento é pelo menos 95% em volume de dióxido de carbono, a fração rica em hidrocarboneto resfriada (O) é liquefeita e sub-resfriada (E7, E8, ElO) em troca de calor indireta contra um ciclo misturado (10- 19), e o refrigerante misturado do ciclo misturado compreende exclusivamente o(s) componente(s) nitrogênio, metano e/ou etano.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA LIQUEFAZER FRAÇÃO RICA EM HIDROCARBONETO".
Descrição A presente invenção refere-se a um processo para liquefazer uma fração rica em hidrocarboneto, em particular gás natural.
Sistemas de liquefação de gás natural clássicos da faixa de capacidade de 1 a 5 milhões de toneladas por ano (mtpa) de LNG (Liquefied Natural Gas) estão predominantemente com base em um processo tendo um pré-resfriamento de propano e um ciclo misturado para liquefação e sub-resfriamento do gás natural. Tal processo de liquefação é descrito, por exemplo, na Patente US 3 763 658. É adicionalmente conhecido usar dióxido de carbono como refrigerante para pré-resfriamento em liquefação de gás natural. A temperatura mais baixa facilmente alcançável, entretanto, é limitada pelo ponto triplo de dióxido de carbono a cerca de -56°C, visto que dióxido de carbono está presente em forma sólida abaixo desta temperatura e torna difícil um procedimento de processo contínuo. O processo de liquefação previamente descrito que é excepcionalmente adequado para sistemas de terra contém hidrocarbonetos mais altos, em particular propano, não apenas no pré-resfriamento da substância pura, porém da mesma forma no ciclo misturado. Estes hidrocarbonetos mais altos, no caso de vazamentos no sistema, forma nuvens de gás tendo uma densidade maior do que ar. Como um resultado, sob algumas circunstâncias, misturas de ar-hidrocarboneto perigosas explosivas podem formar, que são categorizadas como um perigo de segurança considerável.
No caso de sistemas de liquefação de gás natural flutuantes (FLNG), portanto, tentativas são feitas para evitar refrigerante inflamável completamente - por exemplo, usando-se nitrogênio, dióxido de carbono ou HCFCs - ou para limitar a propagação de faltas de sistema locais por distâncias de segurança adequadas entre fontes perigosas potenciais. Em todos os casos, entretanto, a exigência de espaço para o sistema de liquefação aumenta, e, portanto, da mesma forma os custos importantes devido à amplifi- cação requerida do ship’s hullverno alemão relativamente caro. Isto é devido, por exemplo, no caso do que são denominados processos dilatadores de N2, para a eficiência termodinâmica relativamente baixa, que requer compressores maiores e energia para uma determinada produção de liquefação. É um objetivo da presente invenção especificar um processo do tipo em questão para liquefazer uma fração rica em hidrocarboneto que, devido a uma estrutura mais compacta, tem uma exigência espacial menor comparada com os processos de liquefação atualmente realizados em sistemas de FLNG. Além disso, o processo deveria satisfazer as exigências de segurança prescritas.
Para alcançar este objetivo, um processo para liquefazer uma fração rica em hidrocarboneto é proposto, em que - a fração rica em hidrocarboneto que será liquefeita é resfriada em trocador de calor indireto contra um circuito de pré-resfriamento de mul-tiestágio, - o refrigerante do circuito de pré-resfriamento é pelo menos 95% em volume de dióxido de carbono, - a fração rica em hidrocarboneto resfriada é liquefeita e sub-resfriada em troca de calor indireta contra um ciclo misturado, e - o refrigerante misturado do ciclo misturado compreende exclusivamente o(s) componente(s) nitrogênio, metano e/ou etano. O processo de acordo com a invenção para liquefazer uma fração rica em hidrocarboneto é distinto caracterizado pelo fato de que um circuito de pré-resfriamento de componente simples de multiestágio e um ciclo misturado que serve para liquefazer e sub-resfriar a fração rica em hidrocarboneto são combinados, em que o refrigerante do circuito de pré-resfriamento é pelo menos 95% em volume, preferivelmente pelo menos 99% em volume, dióxido de carbono, enquanto o refrigerante misturado do ciclo misturado compreende exclusivamente o(s) componente(s) nitrogênio, metano e/ou etano. O uso de hidrocarbonetos mais alto - estes são empregados para significar C3+-hidrocarboneto - é dispensado completamente. Usando o procedimento de acordo com a invenção, sistemas de FLNG podem - sem ter que aceitar reduções em segurança - ser implementados em uma forma mais compacta e desse modo mais barata.
Comparados com processos de liquefação otimizados que são costumeiramente usados em sistemas com base em terra, o processo de acordo com a invenção para liquefazer uma fração rica em hidrocarboneto tem um consumo de energia mais alto. O consumo de energia em excesso é aproximadamente 7%, em aplicações desfavoráveis, um máximo de 10%.
Além disso, modalidades vantajosas do processo de acordo com a invenção para liquefazer uma fração rica em hidrocarboneto são caracterizadas pelo fato de que - o dióxido de carbono circulando no circuito de pré-resfriamento é comprimido em dois invólucros de compressor separados, em que a pressão de saída do invólucro de pressão baixa está abaixo da pressão crítica de dióxido de carbono, - a pressão de saída do invólucro de pressão alta é operada em uma pressão final de pelo menos 9 MPa (90 bar), preferivelmente pelo menos 10 MPa (100 bar), - o refrigerante misturado circulando no ciclo misturado é comprimido em uma pressão acima da pressão crítica do mesmo, - a(s) temperatura(s) da fração rica em hidrocarboneto que será liquefeita do dióxido de carbono e/ou do refrigerante misturado é/são ajustada^) de uma tal maneira que a energia de condução dos compressores do circuito de pré-resfriamento e do compressor ou compressores do ciclo misturado diferem por um máximo de 10%, preferivelmente por um máximo de 5%, - se a fração rica em hidrocarboneto que será liquefeita antes do resfriamento e liquefação do mesmo, é submetida a uma remoção de absorção de água, a fração rica em hidrocarboneto liquefeita é expandida, a fração gasosa resultante é comprimida à pressão da fração rica em hidrocarboneto que será liquefeita e alimentada a isso, em que a fração gasosa comprimida, antes da alimentação do mesmo, serve para regenerar o secador ou secadores da remoção de absorção de água, - o refrigerante do circuito de pré-resfriamento é pelo menos 99% em volume de dióxido de carbono, e - hidrocarbonetos mais altos e opcionalmente hidrocarbonetos em risco de congelar, tal como, por exemplo, benzeno, são removidos a partir da fração rica em hidrocarboneto pré-resfriada que será liquefeita. O processo de acordo com a invenção para liquefazer uma fração rica em hidrocarboneto e outras modalidades vantajosas do mesmo será descrito em mais detalhes em seguida com referência às modalidades e-xemplares mostradas nas Figuras 1 e 2.
Na modalidade mostrada na Figura 1 do processo de acordo com a invenção, a fração rica em hidrocarboneto A que será liquefeita é primeiro alimentada em um purificador de amina X e aqui liberada de componentes, em particular dióxido de carbono e compostos de enxofre, que interferem na liquefação subsequente. Em seguida, a fração rica em hidrocarboneto A’ é resfriada no trocador de calor E1C, que será considerada em mais detalhes em seguida, e em seguida será alimentada em uma unidade de remoção de absorção de água Y. A fração rica em hidrocarboneto B pré-tratada desta maneira é em seguida resfriada nos trocadores de calor E1B a E4B contra o refrigerante do circuito de pré-resfriamento, que será considerado em mais detalhes em seguida. No trocador de calor E7/E8, a fração rica em hidrocarboneto resfriada C é liquefeita (seção de trocador de calor E7) e sub-resfriada (seção de trocador de calor E8) em troca de calor indireta contra o refrigerante misturado do ciclo misturado, que será considerado em mais detalhes em seguida. Na extremidade fria do cambiador de calor E7/E8, a fração rica em hidrocarboneto sub-resfriada D é retirada e alimentada, por exemplo, em um tanque de armazenamento atmosférico que não é mostrado na Figura 1. Para este propósito, a fração rica em hidrocarboneto D é ampliada na válvula V2 à pressão de armazenamento desejada. A fração gasosa resultante pode, de acordo com uma modalidade vantajosa do processo de acordo com a invenção, ser comprimida à pressão da fração rica em hidrocarboneto A que será liquefeita, e alimentada a isso, em que a fração gasosa comprimida, antes da alimentação do mesmo, preferivelmente serve para regenerar o secador ou secadores da unidade de remoção de absorção de água Y. O circuito de pré-resfriamento previamente mencionado em que dióxido de carbono circula de acordo com a invenção como refrigerante, na modalidade mostrada na Figura 1, tem uma unidade de compressor que consiste em dois invólucros de compressor separados C1A e C1B. Neste caso as correntes de dióxido de carbono 6, 7 e 8 que é alimentada ao invólucro de pressão baixa C1A são preferivelmente apenas comprimidas em uma pressão que está abaixo da pressão crítica de dióxido de carbono. O dióxido de carbono 9 comprimido desta maneira é resfriado no pós-arrefecedor E5A contra um meio adequado e alimentado ao invólucro de alta pressão C1 B da unidade de compressor. Aqui, o dióxido de carbono é comprimido à pressão final desejada. Vantajosamente, isto é pelo menos 9 MPa (90 bar), preferivelmente pelo menos 10 MPa (100 bar), e é portanto notadamente acima da pressão crítica de dióxido de carbono. O dióxido de carbono 1 que é comprimido à pressão final desejada é resfriado no pós-arrefecedor E5B e E6 contra um meio externo adequado ou contra si mesmo, expandido na válvula V1 em uma pressão sub-crítica, similar à pressão do dióxido de carbono 9 presente na saída do invólucro de baixa pressão a C1A e alimentado por meio de conduíte 2 ao separador D1. O separador D1 serve, entre outros, como recipiente de tampão que compensa para flutuações de inventário devido a vários estados operacionais, ou então perdas de refrigerante. O dióxido de carbono 3 gasoso' surgindo no topo do separador D1 é alimentado ao dióxido de carbono 9 pré-comprimido. O dióxido de carbono líquido surgindo no separador D1 é retirado pelo conduíte 3. Uma subcorrente do dióxido de carbono é expandida na válvula V3 e, no trocador de calor E1C, serve para resfriar a fração rica em hidrocarboneto A' que será liquefeita antes da referida subcorrente de dióxido de carbono, e é alimentada pelas seções de conduíte 4 e 5 para a unidade de compressor C1A/C1 B em um nível de pressão intermediário. A maioria do dióxido de carbono líquido 3 é dividido em duas subcorrentes 30 e 40. Enquanto a primeira subcorrente 30 serve para resfriar o refrigerante misturado 11 do ciclo misturado, a segunda subcorrente 30 serve para resfriar a fração rica em hidrocarboneto B que será liquefeita. Na modalidade do processo de acordo com a invenção mostrada na Figura 1, estas operações de resfriamento cada qual procede em quatro trocadores de calor E1A - E4A e E1B - E4B, respectivamente.
Para este propósito, as duas subcorrentes são ampliadas nos trocadores de calor respectivos E1A - E4A e E1B - E4B pelas seções de conduíte 30 e 40, 32 e 42, 34 e 44, e da mesma forma 36 e 46 em cada do qual é disposto uma válvula de expansão a - h. O dióxido de carbono gasoso resultante é retirado dos trocadores de calor mencionados acima pelas seções de conduíte 31 e 41, 33 e 43, 35 e 45, e da mesma forma 37 e 47, e alimentado pelas seções de conduíte 5-8 para a unidade de compressor C1A/C1 B em um nível de pressão adequado. O refrigerante misturado do ciclo misturado 10 que é comprimido pelo compressor ou a unidade de compressor C2 para a pressão de ciclo desejada é resfriado contra um meio externo adequado no pós-arrefecedor E9 e em seguida alimentado pelo conduíte 11 através dos trocadores de calor E1A a E4A e resfriado contra o refrigerante do circuito de pré-resfriamento. O refrigerante misturado 12 presente em duas fases na saída do trocador de calor E4A é separado no separador D2 em uma fração líquida 13 e uma fração gasosa 16. A fração líquida 13 é também resfriada na seção de trocador de calor E7 do trocador de calor E7/E8, produção fria expandida na válvula de expansão V4 e em seguida novamente alimentada à seção de trocador de calor E7 pelo conduíte 14. Nesta seção de trocador de calor E7, o refrigerante misturado é completamente vaporizado contra a fração rica em hidrocarboneto C que será liquefeita e em seguida alimentada pelo conduíte 15 ao compressor mencionado acima C2. A fração gasosa do refrigerante misturado 16 surgindo no separador D2 é resfriada, completamente liquefeita e sub-resfriada nas seções de trocador de calor E7 e E8, em seguida produção fria expandida na válvula V5 e novamente alimentada pelo conduíte 17 ao trocador de calor E7/E8 na extremidade fria do mesmo. Aqui, o refrigerante misturado é completamente vaporizado contra a fração rica em hidrocarboneto C que será liquefeita e sub-resfriada, e em seguida igualmente alimentada ao compressor C2 pelo conduíte 15. O inventário de hidrocarbonetos líquidos no ciclo misturado é substancialmente restringido ao separador D2, os conduítes 13, 14 e 17 entre o separador D2 e a seção de trocador de calor E7, e da mesma forma os líquidos situados nas seções de trocador de calor E7 e E8. Devido à redução considerável do inventário de hidrocarbonetos líquidos no ciclo misturado e a evitação de hidrocarbonetos mais altos ou C3+. categorizados como particularmente perigoso, o sistema de liquefação pode ser implementado em uma forma mais compacta e desse modo mais barata sem reduções em segurança.
Em um desenvolvimento do processo de acordo com a invenção para liquidificar uma fração rica em hidrocarboneto, é proposto que a(s) temperatura(s) da fração rica em hidrocarboneto que será liquefeita, de dióxido de carbono e/ou do refrigerante misturado, é ou são ajustadas de uma tal maneira que a energia de condução dos compressores do circuito de pré-resfriamento e do compressor ou compressores do ciclo misturado difere em um máximo de 10%, preferivelmente em um máximo de 5%. Por meio deste procedimento vantajoso, as energias GT requeridas para operar os compressores ou unidades de compressor C1A/C1B e C2 podem ser idênticas.
De acordo com uma outra modalidade vantajosa do processo de acordo com a invenção para liquidificar uma fração rica em hidrocarboneto, o refrigerante misturado circulando no ciclo misturado é comprimido em uma pressão acima de sua pressão crítica. Problemas de distribuição indesejados das fases de gás e líquidas podem ser evitados desse modo, que pode o-correr em particular em um sistema flutuante (FLNG), devido a inchaço.
Por causa dos procedimentos vantajosos descritos acima, o separador D2 mostrado na Figura 1 é desnecessário, visto que o refrigerante misturado não está em duas fases, porém uma fase, na saída do trocador de calor E4A.
Figura 2 mostra uma modalidade do processo de acordo com a invenção em que o refrigerante misturado 10711'circulando no ciclo misturado é comprimido pelo compressor C2 em uma pressão acima da pressão crítica do mesmo. Resfriamento do refrigerante misturado do ciclo misturado e pré-tratamento e resfriamento da fração rica em hidrocarboneto que será liquefeita não são mostrados na Figura 2. Estas etapas de processamento ocorrem identicamente àqueles explicados com referência à Figura 1. O refrigerante misturado 12' resfriado contra o refrigerante do circuito de pré-resfriamento pode ser agora alimentado diretamente para o trocador de calor E10 e ser resfriado aqui contra si mesmo. O trocador de calor E10 neste caso substitui o trocador de calor E7/E8 mostrado na Figura 1. O refrigerante misturado resfriado é produtivamente frio expandido na válvula de expansão V6 e alimentado pelo conduíte 18 atrás do trocador de calor E10 na extremidade fria do mesmo. Aqui, o refrigerante misturado é completamente vaporizado contra a fração rica em hidrocarboneto C que será liquefeita e sub-resfriada e em seguida alimentada pelo conduíte 19 ao compressor mencionado acima C2. Na extremidade fria do trocador de calor E10, a fração rica em hidrocarboneto liquefeita e sub-resfriada D’ é retirada.

Claims (8)

1. Processo para liquefazer uma fração rica em hidrocarboneto, em particular gás natural, em que - a fração rica em hidrocarboneto que será liquefeita (A - B) é resfriada (E1B - E4B) em troca de calor indireta contra um circuito de pré-resfriamento de multiestágio (1 - 9, 30 - 37, 40 - 47), - o refrigerante do circuito de pré-resfriamento é pelo menos 95% em volume de dióxido de carbono de volume, - a fração rica em hidrocarboneto resfriada (C) é liquefeita e sub-resfriada (E7, E8, E10) em troca de calor indireta contra um ciclo misturado (10 - 19), e - o refrigerante misturado do ciclo misturado compreende exclusivamente o(s) componente(s) nitrogênio, metano e/ou etano.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dióxido de carbono circulando no circuito de pré-resfriamento (1 - 9, 30 - 37, 40 - 47) é comprimido em dois invólucros de compressor separados (C1 A, C1 B), em que a pressão de saída do invólucro de pressão baixa (C1 A) está abaixo da pressão crítica de dióxido de carbono.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a pressão de saída do invólucro pressão alta (C1 B) é operada em uma pressão terminal de pelo menos 9MPa (90 bar), preferivelmente pelo menos 10 MPa (100 bar).
4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o refrigerante misturado circulando no ciclo misturado (10 -19) é comprimido em uma pressão acima da pressão crítica do mesmo (C2).
5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicções 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a(s) temperatura(s) da fração rica em hidrocarboneto que será liquefeita, do dióxido de carbono e/ou do refrigerante misturado é/são ajustadas de uma tal maneira que a energia de condução dos compressores (C1A, C1B) do circuito de pré-resfriamento (1-9, 30-37, 40-47) e do compressor ou compressores (C2) do ciclo misturado difere-se por um máximo de 10%, preferivelmente por um máximo de 5%.
6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, em que a fração rica em hidrocarboneto que será liquefeita, antes do resfriamento e liquefação do mesmo, é submetida a uma remoção de absorção de água, caracterizado pelo fato de que a fração rica em hidrocarboneto liquefeita (D, D’) é ampliada (V2), a fração gasosa resultante é comprimida à pressão da fração rica em hidrocarboneto que será liquefeita (A, A') e alimentada a isso, em que a fração gasosa comprimida, antes da alimentação do mesmo, serve para regenerar o secador ou secadores da remoção de absorção de água (Y).
7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o refrigerante do circuito de pré-resfriamento é pelo menos 99% em volume de dióxido de carbono.
8. Processo, de acordo com qualquer uma das Reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que hidrocarbonetos mais altos e hidrocarbo-netos opcionalmente em risco de congelamento, tal como, por exemplo, benzeno, são removidos da fração rica em hidrocarboneto pré-resfriada que será liquefeita (C).
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